預混合的方法及執行該方法的噴燃器布置的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及尤其用于燃氣渦輪的燃燒技術。其涉及一種根據權利要求1的前序部分的用于使空氣與氣態燃料預混合用于在燃燒室中焚燒的方法。其進一步涉及用于執行此類方法的噴燃器布置。
【背景技術】
[0002]渦流式噴燃器是通過將足夠強的渦流給予空氣流而導致中心逆流區域(中心再循環區域CRZ，渦旋破壞機制)形成的裝置，其可用于使燃氣渦輪噴燃器中的火焰穩定。
[0003]以最佳的燃料-空氣預混合和低壓降為目標經常是挑戰。
[0004]良好的燃料/空氣預混合實際上必須在CRZ之前的混合區中實現，其中火焰是穩定的。這暗示該區中足夠高的壓力損失，即，使用具有高渦流數的渦流器，允許在渦旋破壞發生之前的燃料-空氣混合區段中的高速切向剪切。
[0005]然而，高渦流數的流動在CRZ處產生了過大的剪切，具有僅在該區中的壓力損失的顯著增加。在圖1中顯示了來自具有0.7和0.56的渦流數的兩個不同軸向渦流式噴燃器布置的大渦旋仿真的這些壓力損失特征。圖1(b)的噴燃器布置20包括空氣管21，其沿著噴燃器軸線23延伸，并且在一個端部處通向燃燒室22中。同心地布置在空氣管21內的中心圓柱形的非流線形體27限定了環形通道，用于空氣和空氣/燃料流至燃燒室22，導致中心再循環區域26。燃料在同心的渦流裝置24處引入到空氣流中，并且在隨后的混合區段25中與空氣混合。
[0006]高渦流數變體(圖1 (a)中的開放的正方形)的特征在于混合區段中接近2的無量綱壓力損失Dp (根據混合區段中的體積流速以動壓頭給出的單位進行測量)。這可確保良好的燃料/空氣預混合，但在CRZ處出的單位進行測量)。這可確保良好的燃料/空氣預混合，但在CRZ處有相當大的且不必要的接近8的壓力損失。
[0007]低渦流數變體(圖1 (a)中填充的三角形)相反地在混合區段中給予了接近0.7的壓力損失，其對于燃料-空氣預混合和CRZ周圍可接受的接近5.5的壓降不是有效的。
[0008]因而，良好的空氣/燃料預混合以及在CRZ的開始處的低壓力損失難以隨單個渦流裝置同時付諸實踐。
[0009]文件US 6，438，961 B2公開了一種用于在重型工業燃氣渦輪的燃燒系統中使用的噴燃器，其包括燃料/空氣預混合器，其具有空氣入口、燃料入口以及環形混合通道。燃料/空氣預混合器將燃料和空氣混合成均勻的混合物，用于噴射到燃燒器反應區域中。噴燃器還包括設置在燃料/空氣預混合器的空氣入口處的入口流調節器，用于控制進入空氣的徑向和周向分布。入口流調節器中的穿孔的圖案設計成使得在渦流器入口環面處在徑向方向和周向方向兩者上產生一致的空氣流分布。預混合器包括渦流噴嘴組件，其具有一系列優選翼型狀的轉動輪葉，其將渦流賦予經由入口流調節器進入的空氣流。各個翼型件包含內部燃料流動通道，其經由燃料計量孔將天然氣燃料引入到空氣流中，該燃料計量孔穿過翼型狀的轉動輪葉的壁。通過以該方式噴射燃料，在整個預混合器中保持了空氣動力完全的流場。通過經由兩個分開的通道噴射燃料，可在徑向方向上控制燃料/空氣混合物強度分布，以獲得當機器和燃燒器負載變化時用于控制排放物的最佳徑向濃度曲線、貧油熄火以及燃燒驅動的動態壓力活動。
[0010]文獻US 2009/056336 Al公開了一種用于在工業燃氣渦輪的燃燒系統中使用的噴燃器。噴燃器包括燃料/空氣預混合器，其包括分流輪葉，其限定了第一徑向內通道和第二徑向外通道，第一通道和第二通道均具有空氣流轉動輪葉部分，其將渦流賦予穿過預混合器的燃燒空氣。各個通道中的輪葉部分通常構造成在各個通道中賦予相同的渦流方向。可提供多個分流輪葉，以在預混合器中限定三個或更多個環形通道。
[0011]文獻US 2010/293956 A公開了一種燃料噴嘴輔助輪葉，其包括輪葉可安裝底座，該輪葉可安裝底座包括燃料入口，其中輪葉可安裝底座構造成安裝于設置在燃料噴嘴的空氣流路徑中的主輪葉的表面。燃料噴嘴輔助輪葉還包括從輪葉可安裝底座延伸的本體，其中本體包括燃料通道，其從燃料入口轉向燃料出口，并且燃料出口具有燃料出口方向，其相對于穿過燃料入口的燃料入口方向是大體交叉的。
[0012]文獻US 7，137，258 B2公開了一種噴燃器，其包括被多個外部噴嘴包圍的中心噴嘴，中心噴嘴和外部噴嘴中的各個具有燃料通道和空氣通道，其中渦流器包圍燃料通道，并且具有在空氣通道內徑向地凸出的多個輪葉，各個輪葉具有以相對于噴嘴的縱軸線的渦流角布置的后緣，其中用于中心噴嘴中的渦流器的渦流角不同于用于多個外部噴嘴中的渦流器的渦流角。
[0013]文獻US 7，578，130 BI公開了用于燃燒動態特性減小的方法和系統。燃燒室可包括第一預混合器和第二預混合器。各個預混合器可包括至少一個燃料噴射器、至少一個空氣入口導管，以及至少一個輪葉組，其用于將來自空氣入口導管或多個空氣入口導管的空氣與來自燃料噴射器或多個燃料噴射器的燃料至少部分地混合。各個輪葉組可包括燃料的至少一部分和空氣的至少一部分可穿過其的多個燃料孔口。第一預混合器的輪葉組或多個輪葉組可定位在第一軸向位置處，而第二預混合器的輪葉組或多個輪葉組可定位在相對于第一軸向位置軸向地交錯的第二軸向位置處。
[0014]文獻EP 2 685 164 Al公開了一種用于燃氣渦輪噴燃器的軸向渦流器，其包括輪葉環，該輪葉環具有圍繞渦流器軸線周向地分布的多個渦流器輪葉，所述渦流器輪葉中的各個包括后緣，以便在徑向方向上實現出口流速曲線和/或燃料等同比的受控制分布，所述后緣是不連續的，其中后緣在預定的半徑處具有不連續性。
[0015]通常僅一個渦流器用于渦旋破壞和混合。這不是最佳的，因為良好的燃料/空氣預混合需要高渦流，但這在CRZ周圍產生了太高的壓降。
【發明內容】
[0016]本發明的目的在于提供一種預混合方法和噴燃器布置，其避免了已知的方法和裝置的缺點，并且:
[0017]-實現低壓降，并且同時確保最佳的燃料/空氣預混合；
[0018]-給予不同的排出流徑向速度分布的可能性；
[0019]-使燃料噴射至火焰的對流延時擴展，用于控制熱聲學不穩定性；并且
[0020]-容許燃料分級。
[0021]該目的以及其它目的通過根據權利要求1的方法和根據權利要求15的噴燃器布置來實現。
[0022]根據本發明的用于使空氣與氣態燃料預混合用于在燃燒室中焚燒的方法包括以下步驟:
[0023]通過同軸的空氣管將空氣流中的所述空氣沿著噴燃器軸線引導到燃燒室中，該燃燒室布置在所述空氣管的端部處；
[0024]通過使所述空氣流穿過第一渦流裝置而將渦流施加在所述空氣流上，該第一渦流裝置同心地布置在所述空氣管內，并且包括多個徑向地定向的第一葉片；
[0025]在所述第一渦流裝置處將氣態燃料噴射到所述空氣流中；以及
[0026]使所述空氣流中的所述空氣與噴射的氣態燃料在第一混合區域中混合，該第一混合區域剛好布置在所述第一渦流裝置之后。
[0027]其特征在于，其還包括以下步驟:
[0028]通過至少一個第二渦流裝置發送離開所述第一混合區域的混合的燃料/空氣流，該至少一個第二渦流裝置同心地布置在所述空氣管內，并且包括多個徑向地定向的第二葉片，以減小混合的燃料/空氣流的渦流；
[0029]在所述第二渦流裝置處將氣態燃料噴射到所述混合的燃料/空氣流中；以及
[0030]使所述混合的燃料/空氣流與噴射的氣態燃料在第二混合區域中進一步混合，該第二混合區域剛好布置在所述第二渦流裝置和所述燃燒室之間。
[0031]根據本發明方法的實施例，在所述第一渦流裝置和第二渦流裝置處借助于設在所述第一葉片和第二葉片的吸力側和/或壓力側上的氣體孔而噴射氣態燃料。
[0032]特別地，所述氣體孔布置成排，垂直于噴燃器軸線定向。
[0033]根據本發明方法的另一個實施例，所述第一渦流裝置具有第一渦流數，所述第二渦流裝置具有第二渦流數，并且所述第二渦流數小于所